一种基于时频资源的NB-IoT容量估算方法与流程

一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法
技术领域
1.本发明涉及nb-iot窄带物联网技术领域，特别涉及一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法。


背景技术：

2.nb-iot窄带物联网属于低功耗广覆盖(lpwa)无线接入ciot技术。采用授权频谱、专门为物联网而设计，具备功耗低、覆盖广、连接多、成本低、架构优、安全性高等明显技术优势。据研究机构预测物联网需求主要集中在低速，占据60％的比例，可见nb-iot业务发展空间巨大。特别是2020年7月itu和3gpp将nb-iot正式纳入5g标准,成为mmtc场景核心技术；为nb-iot网络及应用规模发展奠定统一标准和产业基础，成为构建高中低速全系列物联网的重要一环。我国2017年开始建设nb-iot网络，目前已基本建成覆盖全国的nb-iot网络，基站超过70万个，业务连接数已达到上亿；随着智慧城市、垂直行业等物联网应用的不断成熟和加速规模商用，nb-iot网络容量将成为今后建设优化的重点和挑战，本发明将研究基于时频资源的nb-iot容量估算方法，评估nb-iot单站能力，以作为建网站点规模的参考。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
5.一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法，包括以下具体步骤：
6.步骤1：根据3gpp在45.820协议标准中给出的可供参的考业务模型，并根据3gpp相关协议规定，分别估算出prach信道容量、pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量，即prach用户数、pusch用户数和pdsch&pdcch用户数；
7.步骤2：确定nb-iot的连接容量：nb-iot单小区连接容量＝min(prach用户数，pusch用户数，pdsch&pdcch用户数)；nb-iot单站连接容量＝nb-iot单小区连接容量
×
单站小区数量；
8.步骤3：确定nb-iot的放号用户数：nb-iot放号用户数＝nb-iot连接容量/平均接入次数；
9.步骤4：根据工程用户数建立业务模型，根据业务模型估算nb-iot整网容量需求；
10.步骤5：根据nb-iot整网容量需求和nb-iot单站连接容量计算出站点数量，将该站点数与覆盖规划的站点数进行匹配，取其大者作为建网站点规模的参考。
11.进一步的，所述prach信道容量采用估算公式：进一步的，所述prach信道容量采用估算公式：
12.其中g为prach信道每秒接入次数，p为碰撞概率，网络轻载时设为5％，重载时设为10％；n为竞争前导数量，取为12个，t为prach周期范围，范围40-2560ms。
13.进一步的，所述pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量采用估算公式：
14.其中c表示信道容量，r表示信道总的时频资源，k表示调度效率；i表示覆盖等级，ui表示不同覆盖等级分布用户比例，ti表示不同覆盖等级的单用户占用信道时间。
15.综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明对基于时频资源的nb-iot容量估算方法进行研究，通过估算来评估nb-iot单站能力，以辅助更好地进行容量规划。
附图说明
16.图1是nb-iot小区面积计算模型；
17.图2是nb-iot容量规划流程图；
18.图3是prach物理信道格式。
具体实施方式
19.一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法，包括以下具体步骤：
20.步骤1：根据3gpp在45.820协议标准中给出的可供参的考业务模型，并根据3gpp相关协议规定，分别估算出prach信道容量、pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量，即prach用户数、pusch用户数和pdsch&pdcch用户数；
21.步骤2：确定nb-iot的连接容量：nb-iot单小区连接容量＝min(prach用户数，pusch用户数，pdsch&pdcch用户数)；nb-iot单站连接容量＝nb-iot单小区连接容量
×
单站小区数量；
22.步骤3：确定nb-iot的放号用户数：nb-iot放号用户数＝nb-iot连接容量/平均接入次数；
23.步骤4：根据工程用户数建立业务模型，根据业务模型估算nb-iot整网容量需求；
24.步骤5：根据nb-iot整网容量需求和nb-iot单站连接容量计算出站点数量，将该站点数与覆盖规划的站点数进行匹配，取其大者作为建网站点规模的参考。
25.进一步的，所述prach信道容量采用估算公式：进一步的，所述prach信道容量采用估算公式：
26.其中g为prach信道每秒接入次数，p为碰撞概率，网络轻载时设为5％，重载时设为10％；n为竞争前导数量，取为12个，t为prach周期范围，范围40-2560ms。
27.进一步的，所述pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量采用估算公式：
28.其中c表示信道容量，r表示信道总的时频资源，k表示调度效率；i表示覆盖等级，ui表示不同覆盖等级分布用户比例，ti表示不同覆盖等级的单用户占用信道时间。
29.本发明针对nb-iot的时延不敏感、低频率发送、小数据包类的智能抄表(smart metering applications)业务，3gpp在45.820协议标准中给出了可供参考的业务模型。
30.(1)用户终端分布模型
31.基于英国伦敦、日本东京的城市家庭密度和基站分布，有两个用户终端分布模型，nb-iot采用了英国伦敦市区的用户分布模型，具体如表1所示：
32.表1:nb-iot用户分布模型表
[0033][0034][0035]
(2)计算每基站小区的用户终端数量
[0036]
小区面积的计算模型：小区半径r＝基站间距/3；如图1所示。
[0037]
表2:nb-iot参考业务模型表
[0038][0039]
计算过程如下：站间距为1732m，小区半径r＝1732/3＝577.3m，单小区覆盖面积(上图六边形)为0.866平方公里。3gpp协议定义的nb-iot单小区容纳终端数＝单小区覆盖面积*每平方公里家庭数量*每家庭的终端数量＝0.866
×
1517
×
40＝52547个。
[0040]
(3)nb-iot的参考业务模型
[0041]
3gpp在45.820协议定义的nb-iot业务模型：1天发送1包的用户占40％，2小时发送1包的用户占40％，1小时发送1包的用户占15％，30分钟发送1包的用户占5％，如表2所示。
[0042]
每用户每小时平均接入次数＝1/24
×
40％+1/2
×
40％+1
×
15％+2
×
5％＝0.467次。一个基站小区每小时平均连接总次数＝52547
×
0.467＝24697次。
[0043]
如图2所示，与lte不同，nb-iot容量规划的重点不是业务速率，而侧重每个基站支持的连接用户数；nb-iot容量规划流程分为整网容量需求估算、单站容量能力估算。根据业务的话务模型(连接频次、数据速率、用户分布)，目标终端连接数，估算整网连接数需求。通过对单小区基于覆盖等级的用户分布，对上下行信道分别估算支持的连接数能力，最后估
算站点数量＝整网容量需求/单站容量。并将这个站点数与覆盖规划的站点数进行匹配，取其大者，作为建网站点规模的参考。
[0044]
(1)prach信道容量估算：
[0045]
prach信道每秒接入次数公式为：
[0046][0047]
其中g为prach信道每秒接入次数，p为碰撞概率，网络轻载时设为5％，重载时设为10％；n为竞争前导数量，取为12个，t为prach周期范围，范围40-2560ms。
[0048]
prach信道每小时接入次数＝每秒接入次数
×
3600；
[0049]
从prach物理信道格式可以看出，12个prach子载波占用12
×
3.75khz，且与pusch预留15khz保护带。
[0050]
在不同覆盖等级下，prach资源占用时长如表3所示。
[0051]
表3prach资源占用时长表
[0052][0053]
用户按5：3：2在小区中均匀分布时，prach周期设置为640ms，保证各位置分布的用户均有机会接入，每秒接入次数：
[0054][0055]
小区近中远点不同位置每小时接入次数为：
[0056]
近点：g
×
3600＝1.975
×
3600＝7110次，中点：次，远点：次；
[0057]
prach信道每小时总的接入次数＝7110+4266+2844＝14220次，而此时prach信道每小时总的接入次数＝7110+4266+2844＝14220次，而此时
[0058]
(2)pusch信道容量估算：
[0059]
信道话务模型：上行信道开销在不同prach周期，开销比例不同，调度效率取为70％。上行发送消息：rrc连接请求88bits，rrc连接建立完成1340bits(含数据)，按3gpp规范查tb size表，计算各位置用户占用pusch时间如下表所示。
[0060]
表4pusch资源占用时长表
[0061][0062]
用户按5：3：2在小区中均匀分布时，pusch信道每秒接入次数：
[0063][0064]
pusch信道每小时总的接入次数＝2.308
×
3600＝8312次。
[0065]
(3)pdsch&pdcch信道容量估算：
[0066]
信道话务模型：下行信道开销，公共信道pbch、psch、si开销30％，调度效率按70％算。下行发送消息：rar随机接入响应160bits，rrc建立连接152bits，rrc连接释放64bits，按3gpp规范查tb size表，计算各位置用户占用pdsch时间如下表所示。
[0067]
表5pdsch资源占用时长表
[0068][0069]
用户按5：3：2在小区中均匀分布时，下行信道每秒接入次数：
[0070][0071]
下行信道每小时总的接入次数＝3.095
×
3600＝11143次。
[0072]
(4)确定nb-iot的连接容量(同时在线用户数)：
[0073]
nb-iot单小区连接容量＝min(prach用户数，pusch用户数，pdsch&pdcch用户数)＝min(14220，8312，11143)＝8312个用户连接。
[0074]
nb-iot单站连接容量＝nb-iot单小区连接容量
×
单站小区数量＝8312
×
3＝24936个用户连接。
[0075]
(5)确定nb-iot的放号用户数：
[0076]
根据本文表2中所述的3gpp协议中的nb-iot业务模型，每用户每小时平均接入0.467次。则nb-iot单站放号用户数＝nb-iot单站连接容量/平均接入次数＝24936/0.467＝53396个放号用户。
[0077]
实际上，同时会存在同一业务多个用户、不同业务多个用户并发的情况，因此业务需求分析还要考虑忙时集中系数、业务并发系数。某工程预测用户数及业务模型如下表：
[0078]
表6考虑忙时并发的话务模型表(举例)
[0079][0080][0081]
注：忙时集中系统是指在同一小区内，同一种业务的不同终端/用户，会要求在同
一个小时内完成业务操作的集中比例。不同业务间并发系数是指在同一小区内，不同业务的终端/用户，会要求在同一个小时内完成业务操作的比例。
[0082]
按此方法预测的nb-iot整网容量需求(连接数)，如下表：
[0083]
表7nb-iot整网容量需求表(举例)
[0084][0085][0086]
从满足业务连接容量角度，再考虑初期业务不均衡按50％的网络利用率，可以估算出需要的站点总数：满足上行容量所需站点数＝90.98/2.49/50％＝74个站点，满足下行容量所需站点数＝59.29/2.49/50％＝46个站点；平衡上下行容量，则至少需要74个站点。
[0087]
最后，在完成覆盖规划、容量规划基础上，将覆盖站点与容量站点进行均衡，取其大者，确定为需工程建设的站点规模。某工程覆盖估算站点数为212个，容量估算站点数为74个，最终需至少建设站点212个。很显然这是属于覆盖受限，原因是建网初期运营商预测业务量较少，而又有较高的城乡全域覆盖要求。
[0088]
本具体实施例仅仅是对本发明新型的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤1：根据3gpp在45.820协议标准中给出的可供参的考业务模型，并根据3gpp相关协议规定，分别估算出prach信道容量、pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量，即prach用户数、pusch用户数和pdsch&pdcch用户数；步骤2：确定nb-iot的连接容量：nb-iot单小区连接容量＝min(prach用户数，pusch用户数，pdsch&pdcch用户数)；nb-iot单站连接容量＝nb-iot单小区连接容量
×
单站小区数量；步骤3：确定nb-iot的放号用户数：nb-iot放号用户数＝nb-iot连接容量/平均接入次数；步骤4：根据工程用户数建立业务模型，根据业务模型估算nb-iot整网容量需求；步骤5：根据nb-iot整网容量需求和nb-iot单站连接容量计算出站点数量，将该站点数与覆盖规划的站点数进行匹配，取其大者作为建网站点规模的参考。2.根据权利要求1所述的一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法，其特征在于：所述prach信道容量采用估算公式：其中g为prach信道每秒接入次数，p为碰撞概率，网络轻载时设为5％，重载时设为10％；n为竞争前导数量，取为12个，t为prach周期范围，范围40-2560ms。3.根据权利要求2所述的一种基于时频资源的nb-iot容量估算方法，其特征在于：所述pusch信道容量和pdsch&pdcch信道容量采用估算公式：其中c表示信道容量，r表示信道总的时频资源，k表示调度效率；i表示覆盖等级，ui表示不同覆盖等级分布用户比例，ti表示不同覆盖等级的单用户占用信道时间。

技术总结
本发明公开了一种基于时频资源的NB-IoT容量估算方法，包括以下具体步骤：根据3GPP在45.820协议标准中给出的可供参的考业务模型，并根据3GPP相关协议规定，分别估算出PRACH信道容量、PUSCH信道容量和PDSCH&PDCCH信道容量，将三者的最小值确定NB-IoT的连接容量；根据工程用户数建立业务模型，根据业务模型估算NB-IoT整网容量需求；根据NB-IoT整网容量需求和NB-IoT单站连接容量计算出站点数量，将该站点数与覆盖规划的站点数进行匹配，取其大者作为建网站点规模的参考；本发明对基于时频资源的NB-IoT容量估算方法进行研究，通过估算来评估NB-IoT单站能力，以辅助更好地进行容量规划。划。划。


技术研发人员：钟翠明 邱太勇 陈秋宁
受保护的技术使用者：江西省邮电规划设计院有限公司
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/3/7